AirPods可以監(jiān)測(cè)大腦信號(hào)了？！

還是能預(yù)測(cè)阿爾茨海默癥和帕金森的那種？

最近，一款耳內(nèi)傳感器登上了Nature。

把它“貼”在AirPods等耳機(jī)上，不僅能監(jiān)測(cè)佩戴者的腦電波，還能監(jiān)測(cè)汗液中的乳酸濃度。

如此一來(lái)，得到的數(shù)據(jù)就可用于癲癇、阿爾茨海默癥等神經(jīng)退行性疾病的早期診斷。

關(guān)鍵它還很小巧插入耳朵中幾乎看不見(jiàn)，且由柔性材料制作佩戴起來(lái)也很舒適。

研究人員將這款傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)與市售腦電圖設(shè)備和含有乳酸的血液樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。

結(jié)果證實(shí)，使用這種傳感器收集的數(shù)據(jù)與現(xiàn)有方法檢測(cè)出的結(jié)果基本一致。

其實(shí)早在幾個(gè)月前，蘋果就為AirPods申請(qǐng)了一項(xiàng)設(shè)計(jì)專利，瞄準(zhǔn)的就是能夠監(jiān)測(cè)腦電圖、肌電圖、心電圖等生物信號(hào)這個(gè)方向。

但沒(méi)想到蘋果這邊還沒(méi)啥動(dòng)靜，就有相關(guān)研究搶先做出來(lái)了。

所以這款傳感器到底長(zhǎng)啥樣？

佩戴舒適且能貼合不同耳型

此前臨床數(shù)據(jù)已證實(shí)，監(jiān)測(cè)和控制代謝物（如乳酸）水平對(duì)提高大腦功能、增強(qiáng)神經(jīng)可塑性和血管生成方面具有促進(jìn)作用。

但目前將腦電信號(hào)和代謝物水平監(jiān)測(cè)集成到單一可穿戴傳感器設(shè)備的研究很少，尤其還是像耳機(jī)這樣小巧型的。

主要是因?yàn)椴煌瑐鞲心Ｊ降膫鞲衅髦g存在串?dāng)_，繼而會(huì)影響測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確性。

而且在身體上找一個(gè)最佳的“共傳感”位置也很重要。

為了解決上述問(wèn)題，來(lái)自加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究團(tuán)隊(duì)研究了耳內(nèi)功能結(jié)構(gòu)，并使用特殊的布局設(shè)計(jì)、材料以及制造工藝，制成了這款集成的耳內(nèi)傳感器。

耳內(nèi)自然是“共傳感”的絕佳位置之一，主要是因?yàn)槠洳粌H鄰近中樞神經(jīng)系統(tǒng)、主要脈管系統(tǒng)和聽(tīng)覺(jué)皮層，還有多個(gè)外分泌汗腺，并且具有錨固結(jié)構(gòu)、機(jī)械穩(wěn)定。

但是耳內(nèi)空間極其有限、不同人的解剖結(jié)構(gòu)變化很大，所以開(kāi)發(fā)一種通用的耳內(nèi)傳感器仍是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

下面來(lái)看研究人員具體是如何設(shè)計(jì)的。

首先為了獲得最佳集成效果，研究人員根據(jù)耳道內(nèi)的功能設(shè)置了傳感器的布局。

他們找來(lái)了參與者進(jìn)行耳汗分布測(cè)試，確定耳道內(nèi)汗腺分泌較多的區(qū)域。

然后將電化學(xué)電極（監(jiān)測(cè)汗液中乳酸濃度）朝向這些區(qū)域。而電生理電極（監(jiān)測(cè)腦電波）則朝向顳葉區(qū)域，也就是更接近腦電信號(hào)源。

△白色虛線輪廓表示電化學(xué)（左）和電生理（右）電極的位置

在結(jié)構(gòu)上，用于監(jiān)測(cè)腦電波的部分采用了3D立體設(shè)計(jì)和“發(fā)條”支撐結(jié)構(gòu)，不僅保證了與不同耳型的貼合性，也進(jìn)一步增大了與耳道皮膚的接觸面積，從而獲得更強(qiáng)更穩(wěn)定的腦電信號(hào)。

監(jiān)測(cè)乳酸濃度的部分表面覆蓋了PVA凝膠層，該凝膠層具有親水性和多孔結(jié)構(gòu)，能夠有效吸收和聚集汗液，提高了乳酸檢測(cè)的靈敏度和穩(wěn)定性。

此外，傳感器的制成材料大多具有耐化學(xué)性和拉伸性，蛇形線路設(shè)計(jì)也進(jìn)一步提高了延展性，橫向拉伸20%也能保持正常工作。

為了能與大多數(shù)耳機(jī)硅膠耳套整合在一起，傳感器還帶有一個(gè)粘合層的平底，整體結(jié)構(gòu)如下：

△中間還包含SEBS材料制成的絕緣層

制造過(guò)程則是采用了快速且低成本的打印-粘合-組裝工藝：

△傳感器打印以及與電子設(shè)備黏貼組裝

配備傳感器的耳機(jī)制成了，下面來(lái)看性能測(cè)試結(jié)果。

腦電、乳酸雙模精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)

先來(lái)看腦電波的傳感性能。

研究人員進(jìn)行了阻抗測(cè)試，發(fā)現(xiàn)傳感器與耳道界面阻抗良好；直流偏置測(cè)試結(jié)果，也顯示傳感器的偏置電壓分布正常。

眼電圖測(cè)試證明傳感器可用于眼電圖信號(hào)的檢測(cè)；聽(tīng)覺(jué)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)測(cè)試也表明傳感器可用于聽(tīng)覺(jué)腦電信號(hào)的檢測(cè)。

針對(duì)乳酸傳感性能，研究人員測(cè)試了傳感器的線性范圍、選擇性、穩(wěn)定性等指標(biāo)，結(jié)果也都優(yōu)異。

此外，串聯(lián)測(cè)試表明兩種傳感模式可以同時(shí)工作，可以消除短暫串?dāng)_。

隨后研究人員又進(jìn)行了人體實(shí)驗(yàn)，讓5名參與者進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)，監(jiān)測(cè)腦電波和乳酸變化。

結(jié)果顯示運(yùn)動(dòng)前后腦電波各頻段和乳酸濃度發(fā)生一致性升高和降低，也就是實(shí)現(xiàn)了兩種模式的連續(xù)、同步感測(cè)。

總的來(lái)說(shuō)，相較于現(xiàn)有技術(shù)，該傳感器形式因子小、佩戴舒適度高、可以用于日常健康監(jiān)測(cè)。

但研究人員也指出該研究也存在一些局限。

比如，實(shí)驗(yàn)僅測(cè)試了單次20分鐘的急性運(yùn)動(dòng)，未進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)監(jiān)測(cè)，無(wú)法觀察長(zhǎng)期效應(yīng)；研究?jī)H針對(duì)健康人群，沒(méi)有在特定病患群體中驗(yàn)證傳感器的監(jiān)測(cè)效果；雖然研究表明兩種傳感模式可以同時(shí)使用，但未完全排除串?dāng)_的影響。

此外，研究人員還指出之后可以與低功耗集成電路結(jié)合，進(jìn)一步提高便攜性。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41551-023-01095-1